Проектирование сцены, привода и энкодера.

Компоненты вашей высокоточной системы позиционирования — подшипники, система измерения положения, система двигателя и привода, а также контроллер — должны работать максимально эффективно. В части 1 рассматриваются основание системы и подшипники. В части 2 — измерение положения. Здесь мы обсуждаем конструкцию платформы, привода и энкодера, усилитель привода и контроллеры.

Три наиболее часто используемых метода сборки линейных ступеней при использовании линейных энкодеров:
• Привод и энкодер располагаются в центре масс направляющей или как можно ближе к нему.
• Привод расположен в центре масс, энкодер крепится с одной стороны.
• Привод расположен с одной стороны, энкодер — с другой.

В идеальной системе привод располагается в центре массы ползуна вместе с энкодером. Однако это обычно непрактично. Обычный компромисс заключается в размещении привода немного смещенным в одну сторону, а энкодера — немного смещенным в другую. Это даёт хорошее приближение к центральному приводу с обратной связью по движению рядом с системой привода. Центральные приводы предпочтительны, поскольку приводное усилие не вносит нежелательных векторов силы в ползун, вызывающих скручивание или перекос. Поскольку система подшипников жестко ограничивает ползун, перекос приведет к повышенному трению, износу и неточности позиционирования груза.

Альтернативный метод использует систему портального типа с двумя приводами, по одному с каждой стороны каретки. Результирующее усилие привода имитирует центральный привод. При таком методе можно расположить обратную связь по положению в центре. Если это невозможно, можно установить энкодеры с каждой стороны и управлять столом с помощью специального программного обеспечения для портального привода.

Усилитель привода
Усилители сервопривода получают управляющие сигналы, обычно ±10 В постоянного тока, от контроллера и подают рабочее напряжение и ток на двигатель. Существует два типа усилителей мощности: линейные усилители и усилители с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Линейные усилители неэффективны и поэтому используются преимущественно в маломощных приводах. Основными ограничениями на выходную мощность линейного усилителя являются тепловые характеристики выходного каскада и характеристики пробоя выходных транзисторов. Рассеиваемая мощность выходного каскада определяется произведением тока и напряжения на выходных транзисторах. Усилители с ШИМ, напротив, эффективны и обычно используются при мощностях свыше 100 Вт. Эти усилители коммутируют выходное напряжение на частотах до 50 МГц. Среднее значение выходного напряжения пропорционально управляющему напряжению. Преимущество этого типа заключается в том, что напряжение включается и выключается, что значительно увеличивает рассеиваемую мощность.

После выбора типа усилителя следующим шагом будет обеспечение возможности усилителя обеспечивать требуемый непрерывный ток и выходное напряжение на требуемых уровнях для максимальной скорости вращения двигателя (или линейной скорости для линейных двигателей) в данном приложении.

Для бесщёточных линейных двигателей можно провести ещё одно различие между усилителями. Обычно используются два типа коммутации двигателя: трапецеидальная и синусоидальная. Трапецеидальная коммутация — это цифровой тип коммутации, при котором ток каждой из трёх фаз либо включается, либо выключается. Обычно это делают датчики Холла, вмонтированные в двигатель. Внешние магниты приводят датчики в действие. Однако взаимодействие между датчиками Холла, обмотками катушек и магнитами имеет решающее значение и всегда предполагает небольшой допуск положения. Поэтому время срабатывания датчиков всегда немного смещено по фазе относительно истинного положения катушек и магнитов. Это приводит к небольшому изменению тока, подаваемого на катушки, что неизбежно приводит к вибрации.

Трапецеидальная коммутация менее подходит для высокоточных задач сканирования и задач с постоянной скоростью. Однако она менее затратна, чем синусоидальная коммутация, поэтому широко используется в высокоскоростных системах типа «точка-точка» или в системах, где плавность движения не влияет на обработку.

При синусоидальной коммутации переключение «вкл-выкл» не происходит. Вместо этого, благодаря электронной коммутации, сдвиг фаз тока на 360 градусов между тремя фазами модулируется по синусоидальному закону. Это обеспечивает плавное и постоянное усилие двигателя. Поэтому синусоидальная коммутация хорошо подходит для создания точных контуров и для приложений, требующих точной постоянной скорости, таких как сканирование и системы машинного зрения.

Контроллеры
Существует больше классов контроллеров, чем мы можем здесь подробно рассмотреть. В принципе, контроллеры можно разделить на несколько категорий в зависимости от языка программирования и логики управления.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) используют схему «лестничной» логики. Они используются в основном для управления несколькими дискретными функциями ввода-вывода (I/O), хотя некоторые из них предлагают ограниченные возможности управления движением.

Системы числового программного управления (ЧПУ) программируются на стандартном промышленном языке RS274D или его вариации. Они способны выполнять сложные движения, например, сферические и винтовые, с управлением по нескольким осям.

Системы без ЧПУ используют различные фирменные операционные системы, включая простые в использовании интерфейсные программы для базовых профилей движения. Большинство этих контроллеров представляют собой базовый модуль без монитора и клавиатуры. Контроллер взаимодействует с хостом через порт RS-232. Хостом может быть персональный компьютер (ПК), беспроводной терминал или портативное устройство связи.

Практически все современные контроллеры являются цифровыми. Они обеспечивают неслыханный для аналоговых контроллеров уровень надёжности и простоты использования. Обратная связь по скорости обычно формируется на основе сигнала положения оси. Все параметры сервопривода настраиваются программно, а не с помощью кропотливой настройки потенциометров усилителей привода, которые имеют тенденцию к дрейфу после использования и при изменении температуры. Большинство современных контроллеров также предлагают автонастройку всех параметров сервоприводов осей.

Более продвинутые контроллеры также включают в себя распределенную обработку данных и управление осями с помощью цифрового сигнального процессора (ЦСП). ЦСП — это, по сути, процессор, специально разработанный для очень быстрого выполнения математических вычислений (как минимум в десять раз быстрее микропроцессора). Он может обеспечить время выборки сервопривода порядка 125 мс. Преимущество заключается в точном управлении осями для поддержания постоянной скорости и плавного контурирования.

Алгоритм пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) фильтра и упреждающая регулировка скорости и ускорения улучшают сервоуправление осями. Кроме того, программирование профилей ускорения и замедления по S-образной кривой позволяет контролировать рывки, обычно возникающие при запуске и остановке движения стола. Это обеспечивает более плавную и контролируемую работу, сокращая время установления как положения, так и скорости.

Контроллеры также обладают широкими возможностями цифрового и аналогового ввода/вывода. Пользовательская программа или подпрограмма может быть изменена в зависимости от информации о положении, времени или состоянии, значений переменных, математических операций, внешних или внутренних событий ввода/вывода или прерываний по ошибкам. Пользовательский процесс может быть легко автоматизирован.

Кроме того, большинство контроллеров могут повышать разрешение обратной связи по положению за счёт электронного умножения. Хотя умножение 4× является распространённым, некоторые продвинутые контроллеры могут умножать до 256×. Хотя это не даёт повышения точности, оно действительно повышает стабильность положения осей и, что ещё важнее во многих случаях, повторяемость.

В вашем общем подходе, помимо упомянутых выше факторов, необходимо учитывать и другие факторы, которые могут повлиять на выбор компонентов, такие как бюджет, окружающая среда, ожидаемый срок службы, простота обслуживания, среднее время безотказной работы и предпочтения конечного пользователя. Модульный подход позволяет собирать систему из стандартных, легкодоступных компонентов, которые удовлетворят даже самым строгим требованиям применения, если система проанализирована с самого начала на общую совместимость компонентов.